Hochauflösende kardiale Positronen-Emissions-Tomographie/Computertomographie für Kleintiere
Summary
Hier stellen wir ein experimentelles Bildgebungsprotokoll zur Quantifizierung der Herzfunktion und -morphologie mittels hochauflösender Positronen-Emissions-Tomographie/Computertomographie für Kleintiere vor. Es werden sowohl Mäuse als auch Ratten betrachtet, wobei die unterschiedlichen Anforderungen an Computertomographie-Kontrastmittel für die beiden Arten diskutiert werden.
Abstract
Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und die Computertomographie (CT) gehören zu den am häufigsten verwendeten diagnostischen bildgebenden Verfahren und dienen beide zum Verständnis der Herzfunktion und des Stoffwechsels. In der präklinischen Forschung werden spezielle Scanner mit hoher Empfindlichkeit und hoher räumlich-zeitlicher Auflösung eingesetzt, die den anspruchsvollen technologischen Anforderungen der kleinen Herzgröße und der sehr hohen Herzfrequenz von Mäusen und Ratten gerecht werden. In dieser Arbeit wird ein bimodales kardiales PET/CT-Bildgebungsprotokoll für experimentelle Maus- und/oder Rattenmodelle von Herzerkrankungen beschrieben, von der Tierpräparation über die Bildaufnahme und -rekonstruktion bis hin zur Bildverarbeitung und Visualisierung.
Insbesondere der 18 F-markierte Fluordesoxyglucose ([18F]FDG)-PET-Scan ermöglicht die Messung und Visualisierung des Glukosestoffwechsels in den verschiedenen Segmenten des linken Ventrikels (LV). Polarkarten sind praktische Werkzeuge, um diese Informationen anzuzeigen. Der CT-Teil besteht aus einer zeitaufgelösten 3D-Rekonstruktion des gesamten Herzens (4D-CT) mittels retrospektivem Gating ohne Elektrokardiographie (EKG) Ableitungen, die die morphofunktionelle Bewertung der LV und die anschließende Quantifizierung der wichtigsten Herzfunktionsparameter wie Ejektionsfraktion (EF) und Schlagvolumen (SV) ermöglicht. Mit einem integrierten PET/CT-Scanner kann dieses Protokoll innerhalb derselben Anästhesieinduktion ausgeführt werden, ohne dass das Tier zwischen verschiedenen Scannern neu positioniert werden muss. Daher kann PET/CT als umfassendes Werkzeug für die morphofunktionelle und metabolische Bewertung des Herzens in mehreren Kleintiermodellen von Herzerkrankungen angesehen werden.
Introduction
Kleintiermodelle sind äußerst wichtig für das Verständnis von Herz-Kreislauf-Erkrankungen 1,2. Nicht-invasive, diagnostische Bildgebungsinstrumente haben die Art und Weise, wie wir die Herzfunktion betrachten, in den letzten Jahrzehnten sowohl im klinischen als auch im präklinischen Umfeld revolutioniert. Für Kleintiermodelle von Herzerkrankungen wurden spezifische bildgebende Verfahren mit sehr hoher raumzeitlicher Auflösung entwickelt. Somit können solche Instrumente die Notwendigkeit einer genauen Quantifizierung der relevanten metabolischen und kinetischen Myokardparameter an den sehr kleinen und sich sehr schnell bewegenden Herzen von Mäusen und Ratten in spezifischen Krankheitsmodellen wie Herzinsuffizienz (HF)3 oder Myokardinfarkt (MI)4 erfüllen. Hierfür stehen mehrere Modalitäten zur Verfügung, jede mit ihren eigenen Stärken und Schwächen. Die Ultraschallbildgebung (US) ist aufgrund ihrer großen Flexibilität, sehr hohen zeitlichen Auflösung und relativ niedrigen Kosten die am weitesten verbreitete Modalität. Die Einführung der US-amerikanischen kardialen Bildgebung bei Kleintieren hat seit dem Aufkommen von Systemen mit Sonden mit Ultrahochfrequenz 5,6 und räumlichen Auflösungen unter 50 μm erheblich zugenommen.
Zu den Hauptnachteilen von US für die vollständige 3D-Herzbildgebung gehört die Notwendigkeit linearer Scans entlang der Herzachse, indem die Sonde auf einem motorisierten Translationstisch montiert wird, um einen vollständigen Stapel dynamischer B-Mode-Bilder des gesamten Herzens zu erstellen7. Schließlich führt dieses Verfahren (nach genauer räumlicher und zeitlicher Registrierung der in jeder Sondenposition aufgenommenen Bilder) zu einem 4D-Bild mit unterschiedlichen räumlichen Auflösungen zwischen der In-Plane- und Out-of-Plane-Richtung. Das gleiche Problem der ungleichmäßigen räumlichen Auflösung tritt bei der kardialen MR (CMR)8 auf, die immer noch den Goldstandard in der funktionellen Bildgebung des Herzens darstellt. Echte isotrope 3D-Bildgebung kann stattdessen sowohl mit Computertomographie (CT) als auch mit Positronen-Emissions-Tomographie (PET)9 erhalten werden. PET bietet ein sehr empfindliches Werkzeug in Bezug auf das Bildsignal pro injizierter Sondenmenge (im nanomolaren Bereich), obwohl es im Vergleich zu CT, MR oder US eine reduzierte räumliche Auflösung aufweist. Der Hauptvorteil von PET ist seine Fähigkeit, die zellulären und molekularen Mechanismen darzustellen, die der Pathophysiologie des Organs zugrunde liegen. Zum Beispiel ermöglicht ein PET-Scan nach der Injektion von [18F]FDG die Rekonstruktion einer 3D-Karte des Glukosestoffwechsels im Körper. Durch die Kombination mit dynamischer (d.h. zeitaufgelöster) Datenerfassung kann die kinetische Tracermodellierung verwendet werden, um parametrische Karten der metabolischen Raten der Glukoseaufnahme (MRGlu) zu berechnen, die wichtige Informationen über die myokardiale Lebensfähigkeit liefern10.
Die CT erfordert signifikante Mengen an externen Kontrastmitteln (CA) in hohen Konzentrationen (bis zu 400 mg Jod pro ml), um eine messbare Verbesserung der relevanten Gewebekomponenten (z. B. Blut vs. Muskel) zu erreichen, zeichnet sich jedoch durch räumliche und zeitliche Auflösung aus, insbesondere bei Verwendung modernster Mikro-CT-Scanner, die für die Bildgebung von Kleintieren entwickelt wurden. 11 Ein typisches Krankheitsmodell, in dem die kardiale PET/CT angewendet werden kann, ist die experimentelle Bewertung von Myokardinfarkt und Herzinsuffizienz und dem damit verbundenen Ansprechen auf die Therapie. Eine übliche Methode zur Induktion von MI bei Kleintieren ist die chirurgische Ligatur der linken vorderen absteigenden Koronararterie (LAD)12,13 und die anschließende longitudinale Bewertung des Fortschreitens der Erkrankung und des Herzumbaus in den folgenden Tagen4. Dennoch ist die quantitative morphofunktionelle Bewertung des Herzens bei Kleintieren weitgehend auch für andere Krankheitsmodelle anwendbar, wie z.B. die Bewertung des Einflusses des Alterns auf die Herzfunktion14 oder die veränderte Rezeptorexpression in Modellen der Adipositas15. Das vorgestellte Bildgebungsprotokoll ist nicht auf ein bestimmtes Krankheitsmodell beschränkt und könnte daher in verschiedenen Kontexten der präklinischen Forschung mit kleinen Nagetieren von größtem Interesse sein.
In diesem Artikel stellen wir ein Start-to-End-Versuchsprotokoll für die kardiale Bildgebung mit kleintierintegrierter PET / CT vor. Obwohl das vorgestellte Protokoll für einen bestimmten bimodalen integrierten Scanner ausgelegt ist, können die PET- und CT-Teile des beschriebenen Verfahrens unabhängig voneinander auf separaten Scannern verschiedener Hersteller durchgeführt werden. Im eingesetzten PET/CT-Scanner ist der Arbeitsablauf in einem vorprogrammierten Workflow organisiert. Die Hauptzweige jedes Workflows sind ein oder mehrere Erfassungsprotokolle. Jedes Erfassungsprotokoll kann eine oder mehrere Verzweigungen für bestimmte Vorverarbeitungsprotokolle aufweisen, und jedes Vorverarbeitungsprotokoll kann wiederum eine oder mehrere Verzweigungen für bestimmte Rekonstruktionsprotokolle aufweisen. Sowohl die Vorbereitung des Tieres auf dem Bildgebungsbett als auch die Herstellung der externen Mittel, die während der bildgebenden Verfahren injiziert werden sollen, werden beschrieben. Nach Abschluss des Bildaufnahmeverfahrens werden Beispielverfahren zur quantitativen Bildanalyse auf Basis gängiger Softwaretools bereitgestellt. Das Hauptprotokoll wurde speziell für Mausmodelle entwickelt. Obwohl die Maus nach wie vor die am häufigsten verwendete Spezies in diesem Bereich ist, zeigen wir am Ende des Hauptprotokolls auch eine Anpassung des Protokolls für die Rattenbildgebung. Repräsentative Ergebnisse werden sowohl für Mäuse als auch für Ratten gezeigt, die zeigen, welche Art von Leistung mit den beschriebenen Verfahren zu erwarten ist. Am Ende dieses Papiers wird eine gründliche Diskussion geführt, um die Vor- und Nachteile der Technik, kritische Punkte sowie die Art und Weise, wie verschiedene PET-Radiotracer verwendet werden können, fast ohne Änderung der Vorbereitungs- und Akquisitions- / Rekonstruktionsschritte hervorzuheben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das in diesem Artikel vorgestellte Protokoll konzentriert sich auf ein typisches experimentelles Verfahren für die translationale kardiovaskuläre Forschung an Kleintiermodellen von Herzverletzungen unter Verwendung hochauflösender PET/CT-Bildgebung. Die vorgestellten Ergebnisse sind bezeichnend für den hohen quantitativen und qualitativen Wert von PET- und Cine-CT-Bildern, die sowohl funktionelle als auch strukturelle Informationen des gesamten Herzens über seinen Glukosestoffwechsel, seine Form und die Dynamik sein…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde teilweise durch das JPI-HDHL-INTIMIC “GUTMOM” Projekt unterstützt: Maternal obesity and cognitive dysfunction in the offspring: Cause-effect role of the GUT MicrobiOMe and early dietary prevention (Projekt Nr. INTIMIC-085, Italian Ministry of Education, University and Research Decree Nr. 946/2019).
Materials
| 0.9% sterile saline | Fresenius Kabi | 0.9% sodium chloride for injection | |
| 1025L Physiological Monitoring | Small Animal Instruments | Physiological monitoring system for small animal imaging | |
| 5 mL syringes | Artsana | Syringes with needle for injection of PET tracer | |
| Atomlab 500 | Else Nuclear | PET Dose calibrator | |
| Atrium software | Inviscan | Version 1.5.5 | PET/CT operating software |
| Butterfly catheters | Delta Med | 27.5 G needle | |
| Carimas software | Turku PET Center | Version 2.10 | Image analysis software |
| Fenestra VC | Medilumine | Lipid emulsion iodinated contrast agent for small animals | |
| Heat lamp | Heat lamp with clamp and switch | ||
| Insulin syringes | Artsana | Syringes with needle for injection of CT CA | |
| Iomeron 400 mgI/mL | Bracco | Iomeprol, vascular contrast agent | |
| IRIS PET/CT | Inviscan | PET/CT scanner for small animals | |
| Isoflurane | Zoetis | Inhalation anesthetic, 250 mL | |
| OneTouch Glucometer | Johnson&Johnson Medical | Glucose meter kit | |
| Osirix MD software | Pixmeo | Version 11 | Image analysis software |
| Oxygen | Air liquide | Compressed gas | |
| Rectal probe for 1025L | Small Animal Instruments | Rectal probe with cable for SAII 1025L systems | |
| Respiratory sensor for 1025L | Small Animal Instruments | Respiratory pillow with tubings for SAII 1025L systems | |
| TJ-3A syringe pump | Longer | Motorized syringe pump for CT CA injection |
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